SPI、I2C、I2S总线学习笔记.doc

什么是 I2C总线 NXP 半导体（原 Philips半导体）于 20 多年前发明了一种简单的双向二线制串行通信总线，这个总线被称为 Inter-IC 或者 I2C 总线。目前 I2C 总线已经成为业界嵌入式应用的标准解决方案，被广泛地应用在各式各样基于微控器的专业、消费与电信产品中，作为控制、诊断与电源管理总线。多个符合 I2C 总线标准的器件都可以通过同一条 I2C总线进行通信，而不需要额外的地址译码器。由于 I2C是一种两线式串行总线，因此简单的操作特性成为它快速崛起成为业界标准的关键因素。 I2C总线的众多优秀特点 总线仅由 2根信号线组成 由此带来的好处有：节省芯片 I/O、节省 PCB 面积、节省线材成本，等等。 总线协议简单 I2C 总线的协议原文有好几十页，如果直接让初学者来看确实头大，但是并不意为着 I2C 总线协议本身就复杂。 本文撰写的目的就是服务于广大初学者，仅数页的正式内容，图文并茂，容易入门。相信读者认真看过之后，就能基本上掌握 I2C 总线的要领，为进一步操控具体的器件打下良好的基础。 协议容易实现 得益于简单的协议规范，在芯片内部，以硬件的方法实现 I2C 部件的逻辑是很容易的。对应用工程师来讲，即使 MCU内部没有硬件的 I2C总线接口，也能够方便地利用开漏的 I/O（如果没有，可用准双向 I/O代替）来模拟实现。 支持的器件多 NXP 半导体最早提出 I2C 总线协议，目前包括半导体巨头德州仪器（TI） 、 美国国家半导体 （National Semi） 、 意法半导体 （ST） 、 美信半导体 （Maxim-IC）等都有大量器件带有 I2C 总线接口，这为应用工程师设计产品时选择合适的 I2C 器件提供了广阔的空间。 总线上可同时挂接多个器件 同一条 I2C 总线上可以挂接很多个器件，一般可达数十个以上，甚至更多。器件之间是靠不同的编址来区分的，而不需要附加的 I/O 线或地址译码部件。 总线可裁减性好 在原有总线连接的基础上可以随时新增或者删除器件。用软件可以很容易实现 I2C 总线的自检功能，能够及时发现总线上的变动。 总线电气兼容性好 I2C 总线规定器件之间以开漏 I/O 互联，这样，只要选取适当的上拉电阻就能轻易实现 3V/5V逻辑电平的兼容，而不需要额外的转换。 支持多种通信方式 一主多从是最常见的通信方式。此外还支持双主机通信、多主机通信以及广播模式等等。 通信速率高 I2C 总线标准传输速率为 100kbps（每秒 100k 位） 。在快速模式下为400kbps。按照后来修订的版本，位速率可高达 3.4Mbps。 兼顾低速通信 I2C总线的通信速率也可以低至几kbps以下， 用以支持低速器件 （比如软件模拟的实现）或者用来延长通信距离。 有一定的通信距离 一般情况下，I2C 总线通信距离有几米到十几米。通过降低传输速率等办法，通信距离可延长到数十米乃至数百米以上。 I2C总线的信号线 I2C 总线只需要由两根信号线组成， 一根是串行数据线 SDA， 另一根是串行时钟线 SCL。在系统中，I2C 总线的典型接法如图 1 所示，注意连接时需要共地。 一般具有 I2C总线的器件其 SDA和 SCL 管脚都是漏极开路 （或集电极开路） 输出结构。因此实际使用时，SDA 和 SCL 信号线都必须要加上拉电阻 Rp（Pull-Up Resistor） 。上拉电阻一般取值 3～10KΩ。开漏结构的好处是： 当总线空闲时，这两条信号线都保持高电平，不会消耗电流。 电气兼容性好。上拉电阻接 5V电源就能与 5V逻辑器件接口，上拉电阻接 3V电源又能与 3V逻辑器件接口。 因为是开漏结构，所以不同器件的 SDA 与 SDA 之间、SCL 与 SCL 之间可以直接相连，不需要额外的转换电路。 I2C总线的基本概念 发送器（Transmitter） ：发送数据到总线的器件 接收器（Receiver） ：从总线接收数据的器件 主机（Master） ：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件 从机（Slave） ：被主机寻址的器件 I2C 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。如果主机向从机发送数据，则主机是发送器，而从机是接收器；如果主机从从机读取数据，则主机是接收器，而从机是发送器。不论主机是发送器还是接收器，时钟信号 SCL 都要由主机来产生。 5. I2C总线数据传送速率 I2C 总线的通信速率受主机控制，能快能慢。但是最高速率是有限制的，I2C 总线上数据的传输速率在标准模式（Standard-mode）下为 100kbps（每秒 100k 位） ，在快速模式